一種混雜纖維彈性織物復(fù)合材料防彈插板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種混雜纖維彈性織物復(fù)合材料防彈插板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在世界和平發(fā)展的大背景下，各個(gè)國家內(nèi)部的局部暴亂和恐怖襲擊成為目前槍擊威脅出現(xiàn)的主要環(huán)境，面對這種小范圍、小規(guī)模的暴亂襲擊事件，軍用或警用的防彈插板制品應(yīng)用要求也開始有了方向性轉(zhuǎn)變，逐步由大規(guī)模戰(zhàn)爭環(huán)境下對爆炸物破片的防御功能轉(zhuǎn)為輕型槍械少數(shù)襲擊條件下對不同類型彈丸的防護(hù)功能。因此，防彈插板制品的防護(hù)重點(diǎn)是手槍、微型沖鋒槍或半自動(dòng)步槍等輕型武器，防護(hù)特性不僅要求有效抵制彈丸侵徹，而且要盡可能減小材料變形以減輕對人體的沖擊傷害，同時(shí)更重要的是減輕防彈插板的重量以提高小規(guī)模槍擊事件下單兵或單警的作戰(zhàn)靈活機(jī)動(dòng)性。
[0003]從20世紀(jì)70年代以來，高性能纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料在防彈防爆領(lǐng)域得到不斷應(yīng)用，隨著高級纖維研宄的不斷深入，纖維的力學(xué)綜合特性不斷升級，出現(xiàn)了以輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度的復(fù)合材料防彈防護(hù)制品為主導(dǎo)的新局面，以UHMWPE纖維復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料、PBO纖維復(fù)合材料為典型材質(zhì)，其中UHMWPE纖維復(fù)合材料在防彈防護(hù)領(lǐng)域的綜合特性(低密度、高韌性、高強(qiáng)度)最佳。
[0004]超高分子量聚乙烯纖維(平均分子量在100萬以上的聚乙烯紡制而成)是繼芳綸纖維后出現(xiàn)的另一種高強(qiáng)度纖維，其密度低、韌性強(qiáng)、耐腐蝕性好、分子結(jié)構(gòu)取向度高，比芳綸纖維具有更優(yōu)異的防彈特性，但是UHMWPE纖維自身也有不可避免的缺點(diǎn)，其熔點(diǎn)低、高溫環(huán)境力學(xué)性能差，用到防彈插板上會(huì)引起背彈面較大的鼓包問題，所以單純UHMWPE纖維復(fù)合材料防彈插板的防彈性能仍需提高，此外目前UHMWPE復(fù)合材料防彈插板的制備仍采用傳統(tǒng)的熱模壓成型技術(shù)，整個(gè)成型過程耗時(shí)一般在1.5-3小時(shí)左右，溫度一般在50-140°C范圍內(nèi)，在長時(shí)間且接近UHMWPE纖維熔點(diǎn)的工藝條件下進(jìn)行制品成型，不可避免會(huì)引起纖維力學(xué)強(qiáng)度的降低，因此直接影響防彈插板制品的防護(hù)水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是制備一種混雜纖維彈性織物復(fù)合材料防彈插板及其制備方法，其中涉及混雜纖維彈性預(yù)浸織物的制備以及基于該彈性預(yù)浸織物的防彈插板的熱沖壓新型快速成型制備方法，能夠得到一種重量輕、防彈背凸低、高低溫環(huán)境形狀穩(wěn)定的混雜纖維復(fù)合防彈插板，可為軍用、警用等各種領(lǐng)域提供高質(zhì)量防彈插板材料。
[0006]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0007]一種混雜纖維彈性織物復(fù)合材料防彈插板，包括立體編織結(jié)構(gòu)和浸漬在所述立體編織結(jié)構(gòu)上的樹脂結(jié)構(gòu)，其中，所述立體編織結(jié)構(gòu)包括位于前部的混雜纖維迎彈面彈性織物層、位于中部的混雜纖維中間彈性織物層、位于后部的混雜纖維背彈面彈性織物層以及沿所述防彈插板厚度方向的混雜纖維彈性織物整體縫編結(jié)構(gòu)。
[0008]優(yōu)選的，所述混雜纖維迎彈面彈性織物層為混雜纖維編織的二維結(jié)構(gòu)以疊層方式排布而成，所述疊層的厚度為2-7_。
[0009]優(yōu)選的，所述二維結(jié)構(gòu)為平紋、斜紋、緞紋中的任意一種或多種的組合結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選的，所述混雜纖維中間彈性織物層以單向纖維疊層排布而成，所述疊層厚度為 5~1 Omnin
[0011]優(yōu)選的，所述單向纖維采用0°、±30°、±45°、±60°或90°的任意組合的多軸向排布方式。
[0012]優(yōu)選的，所述混雜纖維背彈面彈性織物層為三維結(jié)構(gòu)，所述三維結(jié)構(gòu)的厚度為4-8mm0
[0013]優(yōu)選的，所述三維結(jié)構(gòu)為三維四向、三維五向或三維六向中的任意一種。
[0014]一種混雜纖維彈性織物復(fù)合材料防彈插板的制備方法，包括如下步驟:
[0015](I)對混雜纖維迎彈面彈性織物層、混雜纖維中間彈性織物層以及混雜纖維背彈面彈性織物層分別編織成型，然后將所述三個(gè)織物層從前往后依次排好，進(jìn)行整體縫合，形成立體編織結(jié)構(gòu)；
[0016](2)在真空度為-0.6至-1.0MPa的條件下對所述立體編織結(jié)構(gòu)浸漬樹脂，得到含膠量為10-40%的預(yù)浸織物；將預(yù)浸織物在20-80°C真空烘箱中干燥1-1.5小時(shí)；
[0017](3)將烘干的預(yù)浸織物進(jìn)行熱沖壓一體成型，得到制件，沖壓溫度為60_140°C，作用在預(yù)浸織物上的壓強(qiáng)為5-25MPa，沖壓時(shí)間為2_20分鐘；沖壓結(jié)束后，在10分鐘以內(nèi)將沖壓模具和制件的溫度降低至室溫。
[0018]優(yōu)選的，所述混雜纖維迎彈面彈性織物層采用芳綸纖維和玄武巖纖維中的一種或兩種與UHMWPE纖維混雜編織而成，其中，UHMWPE纖維的用量為50-60%，芳綸纖維和玄武巖纖維的總量為40-50%，以上百分比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0019]優(yōu)選的，所述混雜纖維中間彈性織物層采用芳綸纖維和PBO纖維中的一種或兩種與UHMWPE纖維混雜編織而成，其中，UHMWPE纖維的用量為70-100%，芳綸纖維和PBO纖維的總量為0-30%，以上百分比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0020]優(yōu)選的，混雜纖維背彈面彈性織物層采用配合碳纖維和玄武巖纖維中的一種或兩種與UHMWPE纖維混雜編織而成，其中，UHMWPE纖維的用量為40-50%，碳纖維和玄武巖纖維的總量為50-60%，以上百分比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0021]優(yōu)選的，所述縫合纖維為UHMWPE纖維，縫合用纖維的用量占立體編織結(jié)構(gòu)整體纖維的 10-20% ο
[0022]優(yōu)選的，所述樹脂為熱塑性/熱固性復(fù)配樹脂，其中，熱塑性樹脂為聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂、尼龍樹脂以及聚苯硫醚樹脂等一種或多種，熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂中的一種或兩種。
[0023]整體織物的彈性延伸率在40-200%之間可調(diào)。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025](I)采用“二維/單向/三維”組合編織工藝，其中混雜纖維迎彈面彈性織物層可有效抵抗彈丸貫穿，促使彈丸頭部變形；混雜纖維中間彈性織物層可高效吸收彈丸侵徹沖擊能量；混雜纖維背彈面彈性織物層可有效兜住最終侵徹的彈丸，同時(shí)三維結(jié)構(gòu)可有效減少分層，混雜纖維可減小背彈面的背凸問題。通過不同部位纖維用量調(diào)整使立體編織結(jié)構(gòu)整體具備一定彈性延伸率，纖維用量根據(jù)防彈級別而靈活選定，可有效適應(yīng)快速熱沖壓成型技術(shù)。
[0026](2)利用混雜纖維預(yù)浸彈性織物的高延伸率，采用恒定溫度快速熱沖壓技術(shù)，通過大型液壓設(shè)備結(jié)合沖壓模具在較短時(shí)間內(nèi)快速將預(yù)浸織物高壓沖制成固定曲率要求的防彈插板產(chǎn)品，整個(gè)成型過程時(shí)間短，配合快速冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0027]圖1為混雜纖維彈性預(yù)浸織物的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為基于混雜纖維彈性預(yù)浸織物的熱沖壓快速成型裝備示意圖，
[0029]其中，1、混雜纖維迎彈面彈性織物層，2、混雜纖維中間彈性織物層，3、混雜纖維背彈面彈性織物層，4、混雜纖維彈性織物整體縫編結(jié)構(gòu)，5、液壓設(shè)備，6、沖壓模具；7、模具升溫系統(tǒng)，8、模具快速冷卻系統(tǒng)，9、制件。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0031]由圖1可知，一種混雜纖維彈性織物復(fù)合材料防彈插板，包括立體編織結(jié)構(gòu)和浸漬在所述立體編織結(jié)構(gòu)上的樹脂結(jié)構(gòu)，其中，所述立體編織結(jié)構(gòu)包括位于前部的混雜纖維迎彈面彈性織物層1、位于中部的混雜纖維中間彈性織物層2、位于后部的混雜纖維背彈面彈性織物層3以及沿所述防彈插板厚度方向的混雜纖維彈性織物整體縫編結(jié)構(gòu)4。
[0032]所述混雜纖維迎彈面彈性織物層I為混雜纖維編織的二維結(jié)構(gòu)以疊層方式排布而成，二維結(jié)構(gòu)為平紋、斜紋、緞紋中的任意一種或多種的組合結(jié)構(gòu)，所述疊層的厚度為2_7mm0
[0033]所述混雜纖維中間彈性織物層以單向纖維疊層排布而成，單向纖維采用0°、±30°、土45°、土60°和90°多軸向排布，所述疊層厚度為5-10mm。
[0034]所述混雜纖維背彈面彈性織物層為三維結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)為三維四向、三維五向或三維六向中的任意一種，所述三維結(jié)構(gòu)的厚度為4-8mm。
[0035]實(shí)施例1
[0036]混雜纖維迎彈面彈性織物層I的制備:以UHMWPE纖維為主體纖維，UHMWPE纖維比例為50%;采用芳綸纖維與UHMWPE纖維混雜，芳綸纖維混雜比例為50%。將上述混雜纖維采用平紋結(jié)構(gòu)二維編織，二維編織體以疊層方式排布，疊層厚度為7mm。
[0037]混雜纖維中間彈性織物層2的制備:采用UHMWPE纖維為基本材質(zhì)，其比例為70%，混雜配合芳綸纖維，混雜比例在30%，采用單向纖維疊層排布制備中間彈性織物層，單向纖維采用O°、土45°和90°多軸向排布，疊層厚度在6_。
[0038]混雜纖維背彈面彈性織物層3的制備:采用UHMWPE纖維為主體纖維，碳纖維為混雜纖維制備背彈面三維彈性織物層，其中UHMWPE纖維的用量為40%，碳纖維比例為60%，采用三維四向立體編織工藝將上述兩種纖維混雜編織，背彈面織物層厚度為7mm。
[0039]采用立體縫編技術(shù)，將迎彈面、中間層、背彈面織物疊合，沿著Z軸向采用UHMWPE纖維進(jìn)行以上三種部位不同結(jié)構(gòu)織物的整體縫合，縫合用纖維的用量占立體編織結(jié)構(gòu)整體纖維的15%，整體織物彈性延伸率為100%。
[0040]將縫合后的立體編織結(jié)構(gòu)置于真空袋囊中，采用熱塑性/熱固性復(fù)配樹脂為基體，熱塑性樹脂選用聚氨酯樹脂，熱固性樹脂選擇環(huán)氧樹脂，二者用量比例為2:1。利用真空導(dǎo)入技術(shù)將樹脂膠液浸漬該立體編織結(jié)構(gòu)，整個(gè)浸漬過程保持真空度在-0.6MPa，浸漬樹脂含膠量在35%。將浸漬完畢的預(yù)浸織物體于40°C真空烘箱中干燥1.5小時(shí)備用，整體預(yù)浸織物的長度在320mm，寬度在270mm，厚度為20mm。
[0041]如圖2所示，采用以上制備預(yù)浸織物，將其鋪敷于液壓設(shè)備5的沖壓模具6內(nèi)，通過沖壓模具6的張力系統(tǒng)將預(yù)浸織物張緊固定，啟動(dòng)模具升溫系統(tǒng)7，將沖壓模具6溫度升至80°C ;啟動(dòng)壓機(jī)在張緊的織物表面施加沖壓力，作用在預(yù)浸織物上的壓強(qiáng)在lOMPa，整個(gè)沖壓過程保證恒定模具溫度，整個(gè)沖壓時(shí)間為10分鐘，得到制件9。沖壓結(jié)束后啟動(dòng)模具快速冷卻系統(tǒng)8，在5分鐘內(nèi)將沖壓模具6及制件溫度降低至20°C后，取出制件9，制備的防彈插板面密度為20kg/m2。
[0042]實(shí)施例2
[0043]混雜纖維迎彈面彈性織物層I的制備:以UHMWPE纖維為主體纖維，UHMWPE纖維比例為60%;采用玄武巖纖維與UHMWPE纖維混雜，玄武巖纖維混雜比例為40%。將上述混雜纖維采用斜紋結(jié)構(gòu)二維編織，二維編織體以疊層方式排布，疊層厚度為6mm。
[0044]混雜纖維中間彈性織物層2的制備:采用UHMWPE纖維為材質(zhì)，采用單向纖維疊層排布制備中間彈性織物層，單向纖維采用0°和90°正交排布方式，疊層厚度在8mm。
[0045]混雜纖維背彈面彈性織物層3的制備:采用UHMWPE纖維為主體纖維